崔金棟,汪羽晴,李菲菲,朱增陳,李若彤
(東北電力大學經濟管理學院,吉林吉林 132012)
5G 對經濟社會有放大、疊加、倍增的作用,能創造出更大經濟效益和社會價值,國家發改委、國家能源局以及工信部等有關部門明確表示我國已經進入5G 應用規模化發展的關鍵階段。在行業應用方面,5G 賦能千行百業數字化轉型升級,如電力、醫療等多行業,逐步實現從“點狀開花”到全面滲透。其中,電網行業是5G 應用試點的先導行業,在“雙碳”目標的影響下,電網企業積極融合5G 新技術進行綠色發展,實現了諸多項目的落地以及規模復制,商業化應用場景逐漸明晰。因此,分析電網企業5G技術應用模式對其他類型企業極具借鑒意義。
近年來,在智能電網中應用5G 技術的相關研究開始受到國內外學者的廣泛關注。縱觀國內外研究,目前關于智能電網中應用5G 技術的研究主要集中在電網需求響應、運行調度和安全保障等方面。
(1)5G 提升電網需求響應水平方面。隨著新能源分布式發電、用戶側分布式儲能、電動汽車大規模接入電網,實現與這些角色的實時互動響應是電網安全運行的前提。Saxena 等[1]提出了在聚合器(小蜂窩)和智能電網消費者之間采用演進多媒體廣播和多播通信的一種5G 小蜂窩規劃,實現了智能電網高效的需求響應管理;Kumari 等[2]探討了在5G 通信基礎設施背景下智能電網的架構,研究了霧計算對智能電網延遲敏感型應用的需求響應時間、傳輸延遲和能源管理成本的影響;Ahmadzadeh 等[3]研究了5G 物聯網技術在電網需求響應管理方面的潛在應用,探討了對基于5G 的增強型智能電網中負荷側需求響應管理程序的應用;Maksimovi? 等[4]通過分析線路差動保護、故障定位和需求響應等應用場景,研究了利用超可靠低延遲通信服務以擴展智能電網需求響應管理的應用程序;程紫運等[5]分析了5G 在電網可調節負荷互動業務中需求方面的適用性,探究了未來實現電網需求側精細化感知以及需求側資源和電網形成良性互動的可能性;雍培等[6]探討了5G 技術參與需求側響應的潛力,梳理了5G參與電網需求響應的技術重點,并對5G 作為需求側資源應用到電力系統中的效果進行了展望;袁金斗等[7]結合5G 的性能指標與智能電網中的應用場景分析了5G 技術在調節電網需求側負荷的潛力,設計了基于5G 技術的電網需求響應的系統架構和業務流程;陳兆雁等[8]提出要基于5G 切片技術不同的傳輸方式調節電網不同的需求側負荷,探究了未來5G的關鍵技術與調節需求側負荷互動融合的發展方向。
(2)5G 技術提升電網調度水平方面。隨著5G技術的迅速發展,電網要改變傳統的低效率的運營模式,未來智能電網將要實現自愈、安全、經濟、清潔,提供適應數字時代的優質電力網絡。基于此,Saghezchi 等[9]提出了一種基于博弈論的智能電網需求側管理分布式設備調度方法,最大限度地減少了電網中的負荷變化;Gong 等[10]建立了一個包含5G 基站的主動配電網多目標運行優化調度模型,實現了整個系統經濟性和低碳效益的綜合優化;Zhong等[11]提出一種區域5G 智能電網的雙層K-means++聚類方法,通過所提出的綜合指標可以準確分析5G基站集群的可調度潛力;朱文等[12]通過構建遠程控制中的M-P 神經元模型提取電網調度系統中網絡安全特征信息,實現態勢感知;翟海保等[13]結合電網調控特征,運用詞庫建模、多因子算法等技術,全面、精準、快速監控海量調度設備,提高電網調度設備運行效率;姚建國等[14]從橫向和縱向兩個維度,以任務為導向協同控制多級電網調度,提出新一代大電網調度穩態自適應巡航場景并設計了相關功能模塊;趙晉泉等[15]通過全網模型云平臺以及自動巡航關鍵技術構建自動巡航核心功能模塊,利用多尺度時間調度推動源網荷儲聯合優化,以實現電網調度的自適應巡航。
(3)5G 提升電網安全運行水平方面。為了更好地滿足電網業務的安全性、可靠性和靈活性的需求,提供差異化服務保障,需要進一步提升電網企業對自身業務的自主可控能力。例如,Zerihun 等[16]分析了基于5G 的廣域測量系統的可信性,探討了在平均狀態估計誤差和安全性方面不同的狀態估計方法;De Dutta 等[17]分析了影響智能電網中5G 通信的安全問題,提出了檢測和預防網絡威脅的可用解決方案;Borgaonkar 等[18]利用5G 邊緣計算技術建立了智能電網安全方面的威脅模型,為5G 智能電網系統的未來安全分析提供基礎;Iqbal 等[19]探討了一種基于5G 技術和差動保護的高效集成的智能電網保護系統,該成果為電網安全運行提供1 ms 的延遲和99.999%的可靠性;孫華東等[20]提出新型電力系統安全穩定特性較傳統系統發生重大變化,因此維護電網的安全運行需要新技術新標準;基于此,閆昕[21]提出量化電網風險是保障電網安全可靠運行的重要一環,5G 技術的快速發展應用為電力系統發展帶來了新契機;呂玉祥[22]等研究表明,5G 在通信方面的安全性和實時性能夠為配電網不同節點的實時態勢感知、拓撲參數辨識、潮流數據分析等提供支撐;張曉蘭等[23]認為5G 技術在智能電網監測平臺的應用已經取得質的飛躍,但大電網真正意義上的在線智能分析與控制仍需研究與突破。
國內外對于智能電網領域與5G 技術的研究具有較大差異。國外對5G 應用于智能電網相關領域的技術研究推進較慢,尤其是在5G 技術提升智能電網調度水平方面,而我國的電力行業技術及裝備整體已經達到國際先進水平,智能電網相關技術處于世界領先地位[24]。但是目前國內智能電網中5G 的應用場景不明,尚未對應用情況進行全景式統計和分析的研究,且缺乏對5G 技術熱點以及趨勢的闡述與探究。為此,本研究基于大數據采集技術,對現有相關文獻以及網站詞條進行數據抽取與分析,歸納總結5G 賦能電網企業的典型應用場景和技術熱點,并據此分析5G 技術應用智能電網在未來的發展趨勢。
隨著電網領域與5G 技術結合研究的深入與細化,我國逐步建立了比較成熟的5G 技術協同各行業智能化發展的理論與實踐體系,提高了各行業與電網領域智能化發展的效率。因此,在國家大力倡導電網企業數字化轉型與節能減排的背景下,筆者運用Python 抓取數據的手段對網站關于5G 賦能智能電網的詞條數據進行可視化處理,以對5G 與電網業務多層次、全方位、寬領域的技術深度融合探索與趨勢進行研究。
為了獲取更加全面、準確的數據信息,以中國知網和北極星電力網等網站作為主要的數據來源,通過使用Python 語言編寫爬蟲程序抓取目標網站上有關“5G”and“電網”or“供電”為關鍵詞的相關詞條,共獲得32.7 萬條數據,經過對大量無意義的內容清洗篩選之后得到可用數據18.45 萬條。在數據清洗篩選之后,運用Python 軟件中WordCloud 庫進行詞云的生成。具體地,首先引用并導入第三方庫,包 括jieba、matplotlib、WordCloud、numpy、imageio、image 庫,利用Python 語句爬取網頁數據;其次,將過濾后的詞匯生成分詞列表并連接成字符串,作為后續生成詞云的文本數據。
運用WordCloud 可視化方式,篩選出5G 融合電網的六大典型應用場景。首先,構建WordCloud 對象,設置詞云生成的形狀背景,定義詞云顏色、輪廓、字體大小、樣式等參數,利用已生成的文本數據以及設定好的詞云形狀來加載詞云文本。其次,借助jieba 庫生成有效分詞列表,將樣本文本中提及次數超過1 000 次的詞語生成5G 電網融合典型應用場景詞云圖(見圖1),圖中字級越大,說明該詞語越重要。圖1 顯示,5G 在電網應用的方面中被提及次數較多的詞,包括“5G”“智能巡檢”“配網差動保護”“分布式電源”等,由此可知,“5G+智能巡檢”以及“5G+差動保護”都是當前智能電網方面的研究熱點。

圖1 5G 與電網融合典型應用場景詞云
如圖2 所示,在5G 賦能智能電網的六大典型應用場景中,“電網智能巡檢”在文本中的出現概率大約占1/4;而“電網負荷控制”“低碳賦能”“分布式電源”“智能充電樁”等詞匯被提及次數占比總和大于50%,從側面反映出新型電力系統下電力行業的數字化轉型需要實現5G 技術在電網領域的深度應用;同時,電網企業也要及時準確把握能源革命和數字革命相融并進的大趨勢,牢牢把握住5G 技術在近幾年迅速發展的浪潮,加速推進5G 與智能電網六大典型場景的聯合發展。

圖2 樣本中5G 在電網應用方面主要詞匯構成
增強型移動寬帶(eMBB)網絡切片適用于對帶寬要求高、時延要求不高的場景,可以利用移動布控球、固定監控、無人機智能巡檢等設施實現對電力相關現場的圖像回傳、實時監控、故障反饋與數據采集。移動邊緣計算技術能監測輸電網與變電站現場設備狀況,智能分析故障狀態,減少無效信息回傳,通過開發移動巡檢的應用程序與變電站中的終端設備連接獲取可視化的數據信息,以便進行數據的分析與結果的展示,還可以通過加入無人機智能巡檢技術對巡檢現場視頻圖像實時回傳與故障反饋,及時了解現場信息。基于“5G+人工智能(AI)”的無人機智能巡檢,通過在無人機內置5G 通信模塊,建立與智能巡檢系統的連接,依靠巡檢系統軟件控制無人機在自動化起降維護平臺的起飛、巡線、通信和充電,并及時回傳無人機采集的圖像與數據,完成對塔桿、通道、電力設備的智能化巡檢任務(見圖3),巡檢系統結合北斗定位信息與圖像識別模塊對線路故障與缺陷進行智能分析并生成巡檢報告。以上應用均大大提高了電力系統中巡檢與運維的效率,為更好地建設數字化賦能一線巡檢班組創造了條件。

圖3 基于5G 的無人機智能巡檢應用架構
近年來,隨著越來越多的分布式電源接入電力系統,配電網安全穩定運行面臨挑戰。配網差動保護是解決高壓輸電網問題的技術,但是電力系統控制類業務場景中的不同服務對延遲性和可靠性都有不同的需求,因此需要利用超可靠低時延通信(uRLLC)針對特定的服務單獨定制部署方案,以滿足分布式電源高效穩定的協調控制、差動保護等應用需求。隨著電動汽車充電樁和分布式電源接入配電網,需求側負荷增長迅速,且新能源發電的波動性、隨機性、間歇性等特性會使配電網的電源和負荷之間的功率難以維持系統平衡,進而導致系統轉動慣量減小、頻率調節能力降低、系統短路容量下降、抗擾動能力降低、系統無功支撐能力降低等問題出現,而針對配電網多諧波、強噪聲的系統特征,采用高精度、微型化同步相量測量裝置(PMU),可以實現配電網對實時數據的在線監測。如圖4所示。

圖4 基于5G 的配電網電流差動保護應用架構
精準負荷調控一直是電力行業的痛點和難點。由于高負荷而產生的蝴蝶效應會導致小規模停電進而演變成大規模停電,會對用戶日常的生產生活造成很大程度影響;而且,隨著社會經濟發展,用電需求持續攀升,負荷控制問題不容忽視。當同一受端系統中由單條直流變成多條直流饋入時,電網可能會發生連續換相失敗、電流中斷、功率出現缺額、供電頻率錯亂等問題。大規模機器類通信(mMTC)網絡切片憑借其低時延的優勢,配合智能電網的業務終端、需求響應終端以及通信基站一起并入,可以根據直流電損失功率的大小實現精準控制分散電力用戶、毫秒級電網故障傳輸、極速恢復電網供需平衡等功能,實現源、網、荷的友好互動,支撐電力系統進行大范圍的優化配置;移動邊緣計算技術可以針對本地的電力負荷預測進行資源的協調調度管理,既可以滿足精準負荷控制的要求、降低電網損失,又確保了企業居民用戶的正常用電,減少停電區域面積。如圖5 所示。

圖5 基于5G 通信網絡的精準負荷控制業務應用場景
伴隨著新型電力系統的發展,分布式電源在配網側接入比例增高,導致傳統配電網的網絡構造由原本的單電源結構變為了多電源結構,用戶由單純的買用電對象變成了集發用一體的對象,電流呈現出多向流動的特征,需要配網側進行實時動態監測。5G 通信作為新一代移動通信技術,其中的eMBB 網絡切片可以為分布式保護的快速數據交換提供新的無線通道。在大量的5G 通信終端接入后,融合分布式電源和智能終端形成的智能分布電網可以在日常生活中不間斷供電,在出現緊急情況時提供應急供電,增加配電網的安全性、靈活性及有效性,優化電力系統運行效率(見圖6);并且,分布式能源采用的是“分布式新能源發電+短距離輸配電”模式,更加貼近用戶端,減少因距離而損耗的電能,從而獲得更高的經濟效益。

圖6 5G 在分布式電源中的應用
傳統充電樁只是一項傳統物理意義上的資源共享,類似于共享單車等,但充電樁是伴隨著通信時代出現的產物,不可避免地受到5G 技術的影響,智能充電樁就是在與其結合后形成的較為完善的新基建系統。5G 智能充電樁與傳統充電樁相比具有三方面優勢:一是采用5G 通信中的邊緣計算技術,可以輕松加工處理大批量信息,實時監測到設備運行的故障情況,將充電樁設備的潛在故障風險最小化;二是憑借數據傳輸雙線路的構造,可以在數據傳輸過程中保障數據安全;三是利用5G 毫秒級傳輸速率,既可以實現信息的及時傳遞,也可以發揮重要的紐帶作用。5G 智能充電樁不僅可以迎合未來規模型經濟發展的趨勢,還可以收集不同類型的用戶群體信息,并對這些信息進行二次加工并傳回到企業中。相較于傳統的充電樁,智能充電樁具備更加多樣化的功能(見圖7),如5G 微站、智能照明等,因為充電樁的密集分布能夠滿足5G 微站的選址要求,這節省了很多的土地資源,并且還控制了成本。

圖7 “5G+智能充電樁”應用架構
大數據助力“雙碳”目標的實現一般基于兩種途徑:減少碳排放量和增加碳匯。能源行業作為碳排放量的主要來源,是實現“雙碳”目標首先需要攻克的難關。5G 是電力行業構建清潔低碳、安全高效的能源體系必不可少的關鍵技術。目前,5G 技術對電力物聯網的賦能效果已經初步呈現:一是通過大數據將源、網、荷、儲與新型電力系統聯動起來,持續開發可再生能源,實現多能互補發電,從源頭處減少火力發電帶來的碳排放量;二是通過5G 通信基站將主動配電網(ADN)納入配網側,利用基站休眠、調節上下行功率等技術手段,在保證服務質量的同時減小用電負荷峰谷差、降低發電側發電量,提高系統運行效率,從而間接控制發電側的碳排放量;三是利用5G 技術低時延特性,快速收集用電側信息,從而參與需求側響應,既能夠降低5G 基站自身用電成本,同時又提高了新能源消納能力,促進清潔能源的高效利用。
隨著5G 在電網中的融合應用,電網各層面效率逐步提高,5G 應用優勢顯著,未來電力市場將向著資源共享化層面發展,市場前景廣闊。電網資源共享能夠使電力通信網調度更加靈活,將集中式調度與分布式調度自由切換,提升通信資源的利用率;能協調通信調度,降低全網通信調度紊亂產生的可能性,為用戶提供一個更加穩定安全的用電環境;同時,電網資源共享也是國家電網有限公司盤活存量、提升效率、增進服務的一個有力措施,還滿足了“雙碳”背景下的5G 網絡戰略部署要求,既符合綠色可持續發展理念,又推動網絡強國戰略實施,具有極大的經濟效益和社會效益。
5G 技術憑借其大帶寬、低時延、高可靠等特質與電網深度融合,既使5G 技術自身優勢得到了充分發揮,又助推電力行業實現數字化轉型升級。要促進電力通信網發展迅速、基礎設施完善,一是要將電力物聯網發電、輸電、配電、用電各項業務與現有技術諸如虛擬專用網絡(VPN)、邊緣計算、網絡切片等相結合,實現通信資源共享,充分利用現有資源發揮其最大價值,不僅節約資源,還避免了重復建設;二是要利用5G 大帶寬、低時延、高可靠的特點,克服早期電力通信專網在建成后與運營商公網聯系不緊密的問題,在保證信息安全的同時打破兩者之間存在的壁壘,使專網與公網的聯系更加密切,實現二者在通信上的資源共享,形成合作共贏的新局面。
在“雙碳”背景下,綠色低碳可持續發展已經成為業界共識,作為能源領域的關鍵行業之一,電力行業的轉型升級迫在眉睫,是實現“雙碳”目標必不可少的一環。隨著5G 技術與電網融合程度不斷深化,5G 的邊緣計算和網絡切片等技術為電力行業綠色低碳發展提供了技術支撐。未來,電力行業實現轉型升級的關鍵在于建設新型電力系統,而新型電力系統構建的關鍵在于充分利用數字化技術,推動電力系統朝著數字化轉型方向發展。數字化作為低碳化的技術基礎和先決條件,能夠推動電力系統改革實現從量變到質變。5G 作為新一代通信技術的代表以及數字化核心技術,在與電網融合時,能夠憑借其低時延、大帶寬、高可靠的特性實現電網運行過程中的動態監測、實時調控,使數據更加精準,優化了調度效率和效能。
新型電力系統的建設以新能源為主體,以實現“源網荷儲”協同互動為目標,在保證安全可靠的基礎上進一步加強供需調節能力,使電網運營更加靈活、智慧,而建設新型電力系統、實現電力行業轉型升級的關鍵在于數字化與低碳化相結合。一是要迎合數字技術帶來的智能經濟新浪潮,提高數字化技術在電網中的滲透率,依托數字技術建設智慧電網,提高電力新型系統中的數字化程度,從而實現更深層次的價值創造;二是要通過更多新興的低碳5G 技術推動建設電力系統中各個場景、設備以及組件的數字化改造,以數據驅動通信與業務融合,在提升效率的同時降低成本,將電網側和用電側低碳創新落到實處。總之,電網在5G 與數字化的深度融合下,不僅能充分利用可再生能源,提升新能源消納能力和資源配置能力,還能保障電力系統平穩運行,為用戶提供一個安全可靠的用電環境。
隨著電力物聯網發展的進步,我國電力基礎設施結合5G 通信網絡的智能化業務場景覆蓋規模越來越大,應運而生的新技術越來越復雜多樣,同時,這些技術也保障了電力系統設施的智能運維與管理。未來,電力系統的通信基礎設施維護趨勢一定朝著智能化、數字化、信息化、自動化發展,利用“5G+”的思維模式,采用“線上監管+線下維護”深度融合的方式,創新實現全方位、多領域主動運維。包括建立電力通信基礎設施一體化運行管理平臺,通過在設備上嵌入數據接口,實現實時信息提取、數據分析處理與通信故障預警等的管理;研發能對電力通信設施故障進行運維的新型智能移動作業終端,實現高效與穩定的承載電力通信設備的智能化運維,從而為電力物聯網提供更好的服務。
除物理因素導致電力系統產生風險以外,隨著電力物聯網的發展,其衍生出來的業務會越來越復雜,進一步增大通信風險,而電力系統的智能運維能夠有效降低電網運行過程中存在的風險。一是要利用大數據分析與統計電力物聯網的業務風險,結合5G 通信網絡加強各層級間的相互聯系,使各個層級的各項業務共享風險,達到風險均衡;二是要對電力系統中諸如“源網荷儲”協同互動等各類業務場景中關鍵通信節點之間的通信網絡進行聯合優化,實現n-2 標準保護,最大限度地為電力系統通信網絡降低風險,提升電力物聯網通信網絡的可靠性。
5G 技術憑借自身高速率、大容量、可靠性、低時延與低能耗的獨特優勢與特點,對各行各業有著舉足輕重的影響,但萬物互聯互通也給企業的數據安全和用戶的個人隱私安全帶來了挑戰。在電力物聯網新型業務的通信安全方面,由于新型業務不斷涌現,與其對應的新技術也不斷發展,因此需要對電力物聯網進行物理分區管理,在此基礎上建立動態防護體系,實現安全監測系統的智能化、動態化、可控化,增強電力物聯網對未來新發展的適應能力。具體來說,電力系統中有些關乎電網安全運行的數據以及大規模用戶用電隱私的數據,需要設置較高的保密級別。針對以上兩個方面的挑戰,可以采取以下措施:一是可以利用網絡數據分析的自動協議逆向技術,在電力5G 通信專網與運營商公網協同運行下,將多種5G 新興技術聯合運行,從網絡數據中精準識別有用協議、刪除無用協議,增強通信協議層面的安全防范能力,對電力物聯網的風險源頭進行抑制,提高風險管控能力,實現網絡通信安全智能化防御;二是可以在數據傳輸和交換過程中,為不同的用戶設置不同的數據訪問權限,在實現數據共享的同時保護不同用戶的隱私。總之,電力物聯網在對數據進行搜集、分析、傳輸后,需要對數據進行三次加工——界定不同隱私級別、設置好數據密鑰、加強管理數據訪問權限,從而保障5G 電力專網與公網的安全與隱私。
在從4G 向5G 的完全革新過程中,商業模式的創新是一個關鍵的變化。大數據時代的到來使得傳統的B2X 商業模式轉變成的B2B2X 商業模式,即運營商通過發揮5G 優勢,利用電力企業中心紐帶的作用,為電力用戶開發出新的、附帶有額外價值的服務。B2B2X 商業模式的應用將打通運營商、電力企業、用戶三者之間的數據壁壘,真正實現以用戶為中心的需求側響應功能。在終端信息采集業務場景中,電力企業可以通過能源設備運行情況獲取相關用戶的第一手資料,準確了解這些用戶的生產生活方式、消費能力以及消費習慣等重要信息。在充分保證個人隱私安全的情況下,對第一手數據進行二次加工處理,利用5G 技術建設云端數據共享平臺,既可以滿足各行業企業對消費者群體的深度挖掘、發展潛在客戶等需求,又可以協助政府部門進行宏觀經濟調控,實現宏微觀經濟的雙贏。
為了實現以用戶為中心的需求側響應,一是要實施差異化戰略,從電力用戶的消費行為出發,綜合終端信息分析結果,構建用戶行為分析參考框架,為系統化實施差異化響應服務提供技術保障,同時,在給用戶提供差異化服務的過程中收集用戶對每項服務的反饋評價,指導企業改善業務,形成管理閉環;二是要實施誘導性戰略,在充分了解用戶不同的用電需求后,誘導性地改變用戶的不良用電習慣,如為高耗能企業設計個性化的節能方案,既滿足了企業差異化戰略的需要,又能解決企業耗能大的問題。但不同的企業在資源利用和消費群體上各有優勢,將來在5G 技術搭建數據共享平臺的基礎上,可以實現跨行業商業模式的深度探索,為用戶提供新產品、新服務,創造新價值。
本研究對大數據與知識圖譜視角下電網企業5G技術的應用熱點進行了分析。通過大數據手段,對數據進行獲取和可視化處理,進一步挖掘出5G 熱點技術在電網智能巡檢、配電網差動保護、電網負荷精準控制、分布式電源發電、智能充電樁有序充電和低碳發展與碳排放計量等六大典型場景的應用,這些應用場景不僅可以提升電網的安全性、穩定性和可靠性,還可以推動電網向數字化、智能化和低碳化轉型;并基于數字化轉型背景,從電網資源共享、雙碳聚焦、智能運維、通信安全和商業模式創新等方面對電網企業應用5G 技術的未來趨勢進行了展望。未來,我國電力行業要進一步深化與5G 技術的結合,實現更高效、更可持續的電力供應,推動電網行業朝著更智能、更環保的方向邁進。